CN106315935B - 水质淡化装置及利用该装置淡化水质的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种水质淡化装置，包括电渗析器、双极膜电渗析器和螯合树脂离子交换器；电渗析器与淡化池、浓缩池和电极液池A循环连通，双极膜电渗析器与酸池、碱池、盐池和电极液池B循环连通；螯合树脂离子交换器与溶液池循环连通，溶液池与酸池、碱池、盐池和电极液池B均连通；酸池与电极液池A和螯合树脂离子交换器连通；碱池和盐池分别通过供碱管路和供盐管路与螯合树脂离子交换器连通。该双极膜电渗析器可生产的酸液和碱液，酸液可用来调节电渗析器电极液的pH值，防止电渗析器结垢，酸液和碱液还可用于树脂再生，整个系统运行无需外加盐酸和其它药剂，突破了电渗析水质淡化发展的技术瓶颈。
Description
技术领域
本发明属于水处理技术领域，涉及一种基于电渗析技术的水质淡化装置及方法，尤其涉及以海水、苦咸水或微咸水等含盐水为原水的基于电渗析技术的淡化装置及方法。
背景技术
水质淡化是将含盐水脱盐变成淡水的技术和过程，是实现水资源利用的开源增量技术，可以增加淡水总量，是解决当前沿海地区、岛屿、船舶以及部分内陆地区淡水缺乏的重要途径。水质淡化的方法有很多，大体可分为以多级闪蒸和多效蒸发为代表的蒸馏法（热法）和以反渗透法和电渗析法为代表的膜法两大类。（1）闪蒸是指一定温度的含盐原水在压力突然降低的条件下，部分原水急骤蒸发的现象；多级闪蒸水质淡化是将经过加热的含盐原水，依次在多个压力逐渐降低的闪蒸室中进行蒸发，将蒸汽冷凝而得到淡水。（2）多效蒸发水质淡化是指盐水的最高蒸发温度低于70℃的蒸馏淡化技术，其特征是将一系列的水平管喷淋降膜蒸发器串联起来，用一定量的蒸汽输入首效，后面一效的蒸发温度均低于前面一效，然后通过多次的蒸发和冷凝，从而得到多倍于蒸汽量的蒸馏水的淡化过程。（3）反渗透膜是一种非常致密的高分子分离膜，只允许水分子通过，能够有效地截留水中的溶解盐类、胶体、微生物、有机物等；反渗透水质淡化是利用反渗透膜的高致密性，在膜的含盐原水侧施加大于含盐原水渗透压的压力，原水中的纯水反渗透到膜的另一侧形成淡水。（4）离子选择性透过膜对离子具有选择透过性，阴离子选择性透过膜（简称阴膜）可让阴离子透过但截留阳离子，阳离子选择性透过膜（简称阳膜）可让阳离子透过但截留阴离子；电渗析水质淡化是将阴膜和阳膜交替排列，在直流电场的作用下，形成含盐原水被淡化的淡化室，而相邻隔室含盐原水则被浓缩。
多级闪蒸和多效蒸发等热法水质淡化具有原水预处理要求低、淡化水品质高等优点，但能耗较高；反渗透法的能耗较热法低，但原水预处理要求高；电渗析法对原水的预处理要求低于反渗透法，能耗低于热法，具有运行时间长、清洗和维修方便、回收率高的特点，特别适合中小型水质淡化领域的应用，如船用海水淡化装置或中小型微咸水淡化装置。
电渗析过程需要直流电场驱动，除了在淡化室和浓缩室通入含盐原水外，还需要在两电极室通入溶液，在正电极（阳极）表面发生氧化反应，在负电极（阴极）表面发生还原反应，从而形成完整的电流回路。通入电极室的溶液称为电极液，一般采用含盐原水作为电极液。通电后，在正电极表面水氧化生成氢离子和氧气，如果原水含有氯离子，则氯离子也氧化生成氯气；在负电极表面水还原生成氢氧根和氢气。如果原水中含有镁离子或其它多价金属离子，在负电极表面生成的OH-容易与之结合生成极难溶的Mg(OH)2沉淀或其它氢氧化物沉淀，导致负极室结垢，堵塞流道；并且在直流电场的作用下，阳离子Mg2+或其它多价金属离子向负电极迁移和富集，进一步恶化了沉淀的形成。同时，负离子OH-向正电极迁移，即使紧邻负电极的离子选择性透过膜采用阳膜，OH-离子依旧可能穿过阳膜，从而在靠近负电极的隔室中形成沉淀，侵袭膜堆，导致膜堆失效。除了生成Mg(OH)2等氢氧化物沉淀外，如果原水中含有一定量的HCO3 -，在碱性的负电极隔室可能形成CaCO3和MgCO3沉淀。
当以海水为原水进行淡化时，假定海水中Mg2+含量1200mg/L，即0.05mol/L，常温下Mg(OH)2溶度积常数为5.61×10-12，因此当负电极隔室OH-含量超过0.01mmol/L则可能形成沉淀，即电极液pH值为9。
为了防止在负电极形成沉淀，通常的措施是向电极液中加入盐酸，形成酸性电极液，负电极还原反应生成的OH-会部分中和H+，使得溶液pH值升高，因此需要确保在电极液中加入足够量盐酸，从而保证负电极隔室溶液出口处的pH值低于9。一般条件下控制电极液罐内溶液pH值为3可有效抑制沉淀的形成，电渗析过程需要不停补加盐酸以中和负电极上反应生成的碱。
然而，一些应用场合，比如船用或岛屿用电渗析海水淡化系统，盐酸的携带和运输不容易，成为电渗析海水淡化应用普及的障碍；在另一些应用场合，比如用于居民小区淡水供应的中小型微咸水淡化系统，盐酸的运输和储放同样成为电渗析微咸水淡化应用普及的障碍。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对上述缺陷，提供一种水质淡化装置和淡化水质的方法。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种如下结构的水质淡化装置，包括电渗析器、双极膜电渗析器和螯合树脂离子交换器；
所述电渗析器的淡化室和浓缩室的进口以及电极液进口分别通过A泵、B泵和C泵分别与淡化池、浓缩池和电极液池A连通，其淡化室和浓缩室的出口以及电极液出口分别与淡化池、浓缩池和电极液池A连通，淡化池上设有出水口；
所述双极膜电渗析器的酸室、碱室和盐室的进口以及电极液进口分别通过D泵、E泵、F泵和G泵与酸池、碱池、盐池和电极液池B连通，其酸室、碱室和盐室的出口以及电极液进口分别与酸池、碱池、盐池和电极液池B连通；所述螯合树脂离子交换器的进口通过串接H泵和阀门F的送水管与溶液池连通，螯合树脂离子交换器的出口通过串接阀门J的管路与溶液池连通，溶液池通过供水管路与酸池、碱池、盐池和电极液池B均连通；
所述酸池通过供酸管路与电极液池A和螯合树脂离子交换器连通；所述碱池和盐池分别通过供碱管路和供盐管路与螯合树脂离子交换器连通。
所述供酸管路包括供酸泵以及连通酸池与供酸泵的供酸管，供酸泵的出口通过设有阀门A的第一支管与电极液池A连通，供酸泵的出口通过设有阀门B的第二支管与螯合树脂离子交换器连通；所述供碱管路包括连通碱池与螯合树脂离子交换器的供碱管，供碱管上串接有供碱泵和阀门C；所述供盐管路包括连通盐池与螯合树脂离子交换器的供盐管，供盐管上串接有供盐泵和阀门D；所述供水管路包括串接供水泵的主供水管，主供水管上连接有四根分别与酸池、碱池、盐池和电极液池B连通的支供水管。
所述支供水管上串接有阀门E。
所述水质淡化装置还包括预处理单元，预处理单元的出口通过第一输水管与淡化池、浓缩池和电极液池A均连通；预处理单元的出口通过第二输水管与溶液池连通。
所述预处理单元为精密过滤、微滤、超滤、药剂添加和消毒杀菌多个子单元中的一项或二项以上的组合。
所述水质淡化装置还包括后处理单元，后处理单元的进口通过串接阀门I和输水泵的出水管与淡化池的出水口连通。
所述后处理单元为精密过滤、微滤、超滤、活性炭吸附和消毒杀菌多个单元中的一项或者二项以上的组合。
利用上述水质淡化装置淡化水质的方法，包括以下步骤：
将含盐原水送至淡化池、浓缩池和电极液池A，各达到设定液位后停止供原水，启动A泵、B泵和C泵使电渗析器运行，即同时使淡化池内的原水循环流经电渗析器的淡化室、使浓缩池内的原水循环流经电渗析器的浓缩室，使电极液池A内的原水循环流经电渗析器的极室；电渗析器运行过程中，淡化池内的原水的含盐度逐渐降低成为淡化水、浓缩池内的原水的含盐度逐渐升高成为浓缩水，电极液池A内的原水的pH值逐渐升高，当淡化池内的原水的含盐度达到设定值后，停止电渗析器运行，将淡化池内的水排出使用即可；浓缩池内和电极液池A内的也排出，向淡化池、浓缩池和电极液池A补充含盐原水后可进行下轮次水质淡化；
将含盐原水送至淡化池、浓缩池和电极液池A同时，也向溶液池供送含盐原水，溶液池内的原水达到设定液位后停止向其供原水，启动H泵使螯合树脂离子交换器运行，即使溶液池内的原水流经螯合树脂离子交换器进行循环脱硬，溶液池的水的硬度指标达到设定要求后，螯合树脂离子交换器停止运行，溶液池内的脱硬水被送至酸池、碱池、盐池和电极液池B，各达到设定液位后，停止向酸池、碱池、盐池和电极液池B供水，启动D泵、E泵、F泵和G泵使双极膜电渗析器运行，即同时使酸池内的脱硬水循环流经双极膜电渗析器的酸室、使碱池内的脱硬水循环流经双极膜电渗析器的碱室、使盐池内的脱硬水循环流经电渗析器的盐室、使电极液池B内的脱硬水循环流经电渗析器的极室；电渗析器运行过程中，酸池内的脱硬水的酸度逐渐升高、碱池内的脱硬水的碱度逐渐升高，当酸度或/和碱度到达设置值后，停止双极膜电渗析器运行，酸池、碱池和盐池内的水待用；
电渗析器运行过程中，若电极液池A内的水的pH值升高超过设定值，则用酸池内的水调节电极液池A内的水的pH值，使pH值降低至设定范围；若螯合树脂离子交换器硬度脱除慢或水的硬度不再下降，表明树脂置换饱和或趋向于饱和，则采用酸池、碱池和盐池内的待用水交替冲洗螯合树脂离子交换器的树脂柱以再生树脂。
本发明采用的电渗析器、双极膜电渗析器和螯合树脂离子交换器均为现有市售产品。例如可以采用山东天维膜技术有限公司生产的电渗析器和双极膜电渗析器，江苏苏青水处理工程集团生产的螯合树脂离子交换器。
本发明的双极膜电渗析器运行可以实现盐酸和碱液的在线生产，所产酸用于调节电渗析器电极液的pH值，来防止电渗析器结垢；螯合树脂离子交换器运行一段时候后需要再生，可用双极膜电渗析器所产酸、碱以及脱硬水交替再生树脂。螯合树脂离子交换器提供脱硬水给双极膜电渗析器，确保了双极膜电渗析器不会产生结垢。整个系统运行无需外加盐酸和其它药剂，解决了电渗析水质淡化发展的技术瓶颈。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明：
图1本发明的结构原理示意图。
具体实施方式
如图1所示，水质淡化装置包括电渗析器1、双极膜电渗析器2和螯合树脂离子交换器3。所述电渗析器1的淡化室的进口通过A泵4及管路与淡化池5连通，电渗析器1的淡化室的出口通过管路与淡化池5连通，从而在A泵4启动时可使淡化池5内的水循环流经淡化室。电渗析器1的浓缩室的进口通过B泵6及管路与浓缩池7连通，电渗析器1的浓缩室的出口通过管路与浓缩池7连通，从而在B泵6启动时可使浓缩池7内的水循环流经浓缩室。电渗析器1的电极液进口通过C泵8与电极液池A9连通，电渗析器1的电极液出口通过管路与电极液池A9连通，从而在C泵8启动时可使电极液池A9内的水循环流经电渗析器1内部。淡化池5上设有出水口。
所述双极膜电渗析器2的酸室的进口通过D泵10及管路与酸池11连通，双极膜电渗析器2的酸室的出口通过管路与酸池11连通，从而在D泵10启动时可使酸池11内的水循环流经酸室。双极膜电渗析器2的碱室通过E泵12及管路与碱池13连通，双极膜电渗析器2的碱室的出口通过管路与碱池13连通，从而在E泵12启动时可使碱池13内的水循环流经碱室。双极膜电渗析器2的盐室的进口通过F泵14及管路与盐池15连通，双极膜电渗析器2的盐室的出口通过管路与盐池15连通，从而在F泵14启动时可使盐池15内的水循环流经盐室。双极膜电渗析器2的电极液进口的进口通过G泵16及管路与电极液池B17连通，双极膜电渗析器2的电极液的出口通过管路与电极液池B17连通，从而在G泵16启动时可使电极液池B17内的水循环流经双极膜电渗析器2内部。
所述螯合树脂离子交换器3的进口通过串接H泵18和阀门F19的送水管与溶液池20连通，螯合树脂离子交换器3的出口通过串接阀门J39的管路与溶液池20连通， H泵18启动时可使溶液池20内的水循环流经螯合树脂离子交换器3内部。溶液池20通过供水管路与酸池11、碱池13、盐池15和电极液池B17均连通；所述供水管路包括串接供水泵21的主供水管，主供水管上连接有四根分别与酸池11、碱池13、盐池15和电极液池B17连通支供水管，所述支供水管上串接有阀门E22。所述酸池11通过供酸管路与电极液池A9和螯合树脂离子交换器3连通；供酸管路包括供酸泵23以及连通酸池11与供酸泵23的供酸管，供酸泵23的出口通过设有阀门A24的第一支管与电极液池A9连通，供酸泵23的出口通过设有阀门B25的第二支管与螯合树脂离子交换器连通。所述碱池13和盐池15分别通过供碱管路和供盐管路与螯合树脂离子交换器连通；供碱管路包括连通碱池13与螯合树脂离子交换器3的供碱管，供碱管上串接有供碱泵26和阀门C27；供盐管路包括连通盐池15与螯合树脂离子交换器3的供盐管，供盐管上串接有供盐泵28和阀门D29。用酸池11、碱池13和盐池15内的待用水交替冲洗螯合树脂离子交换器3的树脂柱以再生树脂时，关闭阀门J39和阀门F19可防止冲洗液流入溶液池20，使冲洗液从树脂离子交换器3的串接阀门40的排液管排出。
水质淡化装置还包括预处理单元30，预处理单元30的出口通过串接阀门G31的第一输水管32与淡化池5、浓缩池7和电极液池A9均连通；预处理单元的出口通过串接阀门H33的第二输水管34与溶液池20连通。所述预处理单元30为精密过滤、微滤、超滤、药剂添加和消毒杀菌多个子单元中的一项或二项以上的组合。
水质淡化装置还包括后处理单元35， 后处理单元35的进口通过串接阀门I36和输水泵37的出水管38与淡化池5的出水口连通。所述后处理单元3为精密过滤、微滤、超滤、活性炭吸附和消毒杀菌多个单元中的一项或者二项以上的组合。
上述精密过滤、微滤、超滤、活性炭吸附和消毒杀菌等子单元均为现有产品。
利用上述水质淡化装置淡化水质的方法，包括以下步骤：
含盐原水经预处理单元30预处理后，一路经第一输水管32送至淡化池5、浓缩池7和电极液池A9内，另一路经第二输水管34送至溶液池20内，各达到设定液位后停止供原水；启动A泵、B泵和C泵使电渗析器运行，即同时使淡化池5内的原水循环流经电渗析器1的淡化室、使浓缩池7内的原水循环流经电渗析器1的浓缩室，使电极液池A9内的原水循环流经电渗析器的极室；电渗析器1运行过程中，淡化池5内的原水的含盐度逐渐降低成为淡化水、浓缩池7内的原水的含盐度逐渐升高成为浓缩水，电极液池A9内的原水的pH值逐渐升高，当淡化池5内的水的含盐度达到设定值后，停止电渗析器运行，淡化池5内的水由输水泵37送至后处理单元处理后即可使用；浓缩池7内和电极液池A9内的水也排出，向淡化池5、浓缩池7和电极液池A9补充含盐原水后可进行下轮次水质淡化；
电渗析器1运行的同时，启动H泵18使螯合树脂离子交换器3运行，即使溶液池20内的原水流经螯合树脂离子交换器3进行循环脱除硬度，溶液池20内的水的硬度指标达到设定要求后，螯合树脂离子交换器3停止运行，溶液池20内的脱硬水由供水泵21送至酸池11、碱池13、盐池15和电极液池B17，各达到设定液位后，停止向酸池、碱池、盐池和电极液池B供水，启动D泵10、E泵12、F泵14和G泵16使双极膜电渗析器运行，即同时使酸池11内的脱硬水循环流经双极膜电渗析器的酸室、使碱池13内的脱硬水循环流经双极膜电渗析器的碱室、使盐池15内的脱硬水循环流经电渗析器的盐室、使电极液池B17内的脱硬水循环流经电渗析器的极室；电渗析器1运行过程中，酸池内的脱硬水的酸度逐渐升高、碱池内的脱硬水的碱度逐渐升高，当酸度或/和碱度到达设置值后，停止双极膜电渗析器运行，酸池、碱池和盐池内的水待用；
电渗析器1运行过程中，当电极液池A9内的水的pH值升高超过设定值时，可启动供酸泵23通过第一支管将酸池11内的酸度较高的水送入电极液池A9内，以调节电极液池A9内的水的pH值，使pH值降低至设定范围；当螯合树脂离子交换器3硬度脱除慢或溶液池20内的水的硬度不再下降，表明树脂置换饱和或趋向于饱和，则采用酸池11、碱池13和盐池15内的待用水交替冲洗螯合树脂离子交换器3的树脂柱以再生树脂，即先用酸池11的水冲洗、再用盐池15内的水冲洗、然后用碱池13的水冲洗，最后用盐池15内的水冲洗。冲洗时由供酸泵23通过第二支管向螯合树脂离子交换器3供送酸池11的水、由供碱泵26向螯合树脂离子交换器3供送碱池13的水，由供盐泵28向螯合树脂离子交换器3供送盐池15的水，冲洗水通过阀门40排出。
本发明所述装置可通过在各池内设置液位计和相应的检测装置，例如在酸池和碱池内设酸度计，通过控制系统控制自动运行。
Claims (7)
1.一种水质淡化装置，包括电渗析器、双极膜电渗析器和螯合树脂离子交换器；
所述电渗析器的淡化室和浓缩室的进口以及电极液进口分别通过A泵、B泵和C泵分别与淡化池、浓缩池和电极液池A连通，其淡化室和浓缩室的出口以及电极液出口分别与淡化池、浓缩池和电极液池A连通，淡化池上设有出水口；
所述双极膜电渗析器的酸室、碱室和盐室的进口以及电极液进口分别通过D泵、E泵、F泵和G泵与酸池、碱池、盐池和电极液池B连通，其酸室、碱室和盐室的出口以及电极液出口分别与酸池、碱池、盐池和电极液池B连通；所述螯合树脂离子交换器的进口通过串接H泵和阀门F的送水管与溶液池连通，螯合树脂离子交换器的出口通过串接阀门J的管路与溶液池连通，溶液池通过供水管路与酸池、碱池、盐池和电极液池B均连通；
所述酸池通过供酸管路与电极液池A和螯合树脂离子交换器连通；所述碱池和盐池分别通过供碱管路和供盐管路与螯合树脂离子交换器连通；
上述水质淡化装置淡化水质的方法包括以下步骤：
将含盐原水送至淡化池、浓缩池和电极液池A，各达到设定液位后停止供原水，启动A泵、B泵和C泵使电渗析器运行，即同时使淡化池内的原水循环流经电渗析器的淡化室、使浓缩池内的原水循环流经电渗析器的浓缩室，使电极液池A内的原水循环流经电渗析器的极室；电渗析器运行过程中，淡化池内的原水的含盐度逐渐降低成为淡化水、浓缩池内的原水的含盐度逐渐升高成为浓缩水，电极液池A内的原水的pH值逐渐升高，当淡化池内的原水的含盐度达到设定值后，停止电渗析器运行，将淡化池内的水排出使用即可；浓缩池内和电极液池A内的也排出，向淡化池、浓缩池和电极液池A补充含盐原水后可进行下轮次水质淡化；
将含盐原水送至淡化池、浓缩池和电极液池A同时，也向溶液池供送含盐原水，溶液池内的原水达到设定液位后停止向其供原水，启动H泵使螯合树脂离子交换器运行，即使溶液池内的原水流经螯合树脂离子交换器进行循环脱除硬度，溶液池的水的硬度指标达到设定要求后，螯合树脂离子交换器停止运行，溶液池内的脱硬水被送至酸池、碱池、盐池和电极液池B内，各达到设定液位后，停止向酸池、碱池、盐池和电极液池B供水，启动D泵、E泵、F泵和G泵使双极膜电渗析器运行，即同时使酸池内的脱硬水循环流经双极膜电渗析器的酸室、使碱池内的脱硬水循环流经双极膜电渗析器的碱室、使盐池内的脱硬水循环流经电渗析器的盐室、使电极液池B内的脱硬水循环流经电渗析器的极室；电渗析器运行过程中，酸池内的脱硬水的酸度逐渐升高、碱池内的脱硬水的碱度逐渐升高，当酸度或/和碱度到达设置值后，停止双极膜电渗析器运行，酸池、碱池和盐池内的水待用；
电渗析器运行过程中，若电极液池A内的水的pH值升高超过设定值，则用酸池内的水调节电极液池A内的水的pH值，使pH值降低至设定范围；若螯合树脂离子交换器硬度脱除慢或水的硬度不再下降，表明树脂置换饱和或趋向于饱和，则采用酸池、碱池和盐池内的待用水交替冲洗螯合树脂离子交换器的树脂柱以再生树脂。
2.根据权利要求1所述的水质淡化装置，其特征在于：所述供酸管路包括供酸泵以及连通酸池与供酸泵的供酸管，供酸泵的出口通过设有阀门A的第一支管与电极液池A连通，供酸泵的出口通过设有阀门B的第二支管与螯合树脂离子交换器连通；所述供碱管路包括连通碱池与螯合树脂离子交换器的供碱管，供碱管上串接有供碱泵和阀门C；所述供盐管路包括连通盐池与螯合树脂离子交换器的供盐管，供盐管上串接有供盐泵和阀门D；所述供水管路包括串接供水泵的主供水管，主供水管上连接有四根分别与酸池、碱池、盐池和电极液池B连通的支供水管。
3.根据权利要求2所述的水质淡化装置，其特征在于：所述支供水管上串接有阀门E。
4.根据权利要求1、2或3所述的水质淡化装置，其特征在于：所述水质淡化装置还包括预处理单元，预处理单元的出口通过第一输水管与淡化池、浓缩池和电极液池A均连通；预处理单元的出口通过第二输水管与溶液池连通。
5.根据权利要求4所述的水质淡化装置，其特征在于：所述预处理单元为精密过滤、微滤、超滤、药剂添加和消毒杀菌多个子单元中的一项或二项以上的组合。
6.根据权利要求1、2或3所述的水质淡化装置，其特征在于：所述水质淡化装置还包括后处理单元，后处理单元的进口通过串接阀门I和输水泵的出水管与淡化池的出水口连通。
7.根据权利要求6所述的水质淡化装置，其特征在于：所述后处理单元为精密过滤、微滤、超滤、活性炭吸附和消毒杀菌多个单元中的一项或者二项以上的组合。
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